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Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelkreislauf für einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiger Kühlmittelkreislauf weist eine Zuleitung und ein in oder an der Zuleitung angeordnetes Thermostatventil zum Steuern eines Kühlmittelstroms durch die Zuleitung auf. Hierbei kann das Thermostatventil zum Steuern des Kühlmittelstroms einen geschlossenen Zustand, in dem kein Kühlmittelstrom durch die Zuleitung strömt, und einen geöffneten Zustand, in dem ein Kühlmittelstrom durch die Zuleitung strömt, einnehmen und ist zwischen diesen Zuständen veränderbar. Auf diese Weise kann ein Thermostatventil den Kühlmittelstrom umsteuern, indem bei geschlossenem Thermostatventil der Kühlmittelstrom beispielsweise durch einen ersten Kreislauf und bei geöffnetem Thermostatventil durch einen zweiten Kreislauf (und gegebenenfalls zusätzlich auch noch durch den ersten Kreislauf) fließt.
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Das Thermostatventil kann so ausgelegt sein, dass es gegebenenfalls auch Zwischenstellungen einnehmen und damit auch teilweise geöffnet sein kann, um auf diese Weise den Volumenstrom des Kühlmittellstroms durch das Thermostatventil zu regeln. Denkbar ist aber auch, dass das Thermostatventil nur zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand geschaltet werden kann.
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Thermostatventile werden herkömmlich zur temperaturabhängigen Steuerung von Fluidkreisläufen bei Verbrennungsmotoren eingesetzt. Unterschiedlich ausgebildete Thermostatventile steuern dabei beispielsweise die Temperatur des Kühlmittels oder des Motor- und Getriebeöls. Beispielsweise kann ein Thermostatventil Bestandteil eines Kühlmittelkreislaufs sein und regelt in Abhängigkeit der Temperatur von Kühlmittelströmen, ob Kühlmittel ausschließlich durch einen Heizungskühler (im Rahmen eines so genannten kleinen Kühlmittelkreislaufs zur Abgabe von Wärme an eine Fahrzeuginnenraumheizung) oder zusätzlich auch durch einen Kühlmittelkühler (im Rahmen eines so genannten großen Kühlmittelkreislaufs zur zusätzlichen Kühlung des Kühlmittels) geleitet wird.
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Herkömmliche Thermostatventile werden temperaturabhängig gesteuert. Bekannt aus der
DE 35 02 817 A1 und der
DE 38 17 952 A1 sind beispielsweise so genannte Dehnstoffthermostate (auch als Wachsthermostate bezeichnet), bei denen ein druckfestes Gehäuse mit einem Dehnstoff beispielsweise in Form eines Wachses gefüllt ist. Nach dem Anlassen eines zu kühlenden Verbrennungsmotors erwärmt sich das Kühlmittel und der Dehnstoff verflüssigt sich bei einer vorgegebenen Temperatur. Der Dehnstoff dehnt sich dabei aus und wirkt auf einen Arbeitskolben ein, der aus dem Gehäuse gepresst wird und einen Kühlmitteldurchfluss öffnet, so dass ein Kühlmittelstrom fließen kann. Unterschreitet die Temperatur des Kühlmittels die vorgegebene Öffnungstemperatur im weiteren Betrieb, so wird der Kühlmitteldurchfluss wiederum geschlossen, so dass kein Kühlmittelstrom mehr fließen kann.
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Bei modernen Dehnstoffthermostaten kann auf diese Weise ein Regelbereich von 0°C bis 120°C realisiert werden.
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Eine Weiterentwicklung solch konventioneller Dehnstoffthermostate stellen beheizte Dehnstoffthermostate dar, wie sie beispielsweise aus der
DE 103 60 169 A1 bekannt sind. Durch elektrische Beheizung eines Dehnstoffs bei einem Dehnstoffthermostat kann der Arbeitsbereich eines Thermostatventils erweitert werden, indem durch die zusätzliche elektrische Beheizung beispielsweise eine frühzeitige Öffnung des Thermostatventils und damit des Kühlmittelkreislaufs insbesondere in Situationen mit stark erhöhter Leistungsanforderung erreicht wird.
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Bekannt sind auch rein elektrisch angetriebene Thermostate unter Verwendung eines elektrischen Antriebsmotors zum Verstellen des Thermostatventils.
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Den bekannten Thermostatventilen, insbesondere den häufig eingesetzten Dehnstoffthermostaten ist gemein, dass ein Öffnen und Schließen der Thermostatventile in Abhängigkeit von fest eingestellten Temperaturen in vorbestimmten Temperaturbereichen erfolgt, um die Temperatur eines zu kühlenden Verbrennungsmotors weitestgehend konstant zu halten. Die Grenzwerte der Temperaturen, in Abhängigkeit derer ein Thermostatventil sich öffnet oder schließt, sind dabei fest vorgegeben; Vor- und Nachlaufeffekte in Kühlmittelkreisläufen können nur unzureichend berücksichtigt werden.
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Zudem stellen Thermostatventile regelmäßig einen hohen Strömungswiderstand im Kühlmittelkreislauf dar und machen damit auch Kühlmittelpumpen hoher Leistung im Kühlmittelkreislauf erforderlich.
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Ein aus der
DE 100 23 519 A1 bekanntes Thermostatventil ist druckgesteuert, indem das Thermostatventil in Abhängigkeit von dem Druck des Kühlmittelstroms in der Zuleitung zum Einnehmen eines geschlossenen Zustands oder eines geöffneten Zustands gesteuert wird. Das Thermostatventil weist ein Verschlusselement in Form einer Klappe zum Verschließen der Zuleitung im geschlossenen Zustand auf. Das Verschlusselement kann zum Überführen in den geöffneten Zustand des Thermostatventils um eine Schwenkachse verschwenkt werden und ist ausgebildet ist, in Abhängigkeit von dem Druck des Kühlmittelstroms in der Zuleitung zwischen einer geschlossenen Stellung und einer maximal geöffneten Stellung über einen Öffnungsweg verstellt zu werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kühlmittelkreislauf für einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs mit einem Thermostatventil zur Verfügung zu stellen, das strömungsgünstig ist und damit eine Reduzierung des Strömungswiderstands im Kühlmittelkreislauf ermöglicht und das zudem insbesondere in Zusammenwirken mit einer elektrisch betriebenen Kühlmittelpumpe in einem weiten Arbeitsbereich regelbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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In Abkehr von herkömmlichen Thermostatventilen, insbesondere in Abkehr von so genannten Dehnstoffthermostaten, verwendet das vorliegend bereit gestellte Thermostatventil als Stellgröße den Druck des Kühlmittelstroms in einer Zuleitung, nicht aber (oder nur indirekt) die Temperatur des Kühlmittels. Das Thermostatventil ist damit druckgesteuert und nicht (oder nur indirekt) temperaturgesteuert. Dies ermöglicht, das Thermostatventil durch Steuerung einer Kühlmittelpumpe und dem Vorgeben des Drucks des Kühlmittelstroms hierüber zu regeln, so dass das Thermostatventil unmittelbar über die Kühlmittelpumpe gesteuert werden kann.
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Das Thermostatventil weist ein Verschlusselement zum Verschließen der Zuleitung im geschlossenen Zustand auf, wobei das Verschlusselement zum Überführen in den geöffneten Zustand des Thermostatventils um eine Schwenkachse schwenkbar oder entlang einer Schiebeführung verschiebbar ist. Mittels des Verschlusselementes wird damit der Volumenstrom des Kühlmittels eingestellt und geregelt, wobei bei verschlossenem Verschlusselement kein Kühlmittelstrom fließt, bei teilweise oder vollständig geöffnetem Verschlusselement hingegen ein Kühlmittelstrom durch die Zuleitung strömt. In seiner geschlossenen Stellung liegt das Verschlusselement beispielsweise an einer Dichtung an und verhindert damit einen Durchtritt von Kühlmittel, während durch Aufschwenken oder Aufschieben des Verschlusselementes in Abhängigkeit vom Druck des Kühlmittelstroms das Thermostatventil geöffnet und damit der Durchgang für das Kühlmittel ganz oder teilweise freigegeben wird.
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Das Verschlusselement kann beispielsweise nach Art einer Klappe ausgebildet sein und ist hierzu um eine Schwenkachse verschwenkbar angelenkt. Ebenso ist denkbar, das Verschlusselement nach Art eines Schiebers entlang einer Schiebeführung verschiebbar auszuführen, so dass bei Überschreiten eines bestimmten Drucks das Thermostatventil freigegeben wird. Unabhängig von der konkreten Ausführung ist das Verschlusselement so ausgebildet, dass es in Abhängigkeit vom Druck des Kühlmittelstroms in der Zuleitung zum Verschließen oder Freigeben des Thermostatventils verstellt wird.
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Um einen Grenzdruck vorzugeben, bei Überschreiten dessen das Thermostatventil geöffnet wird, ist das Verschlusselement vorteilhafterweise elastisch gegenüber einem relativ zur Zuleitung feststehenden Abschnitt in Richtung seiner geschlossenen Stellung vorgespannt.
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Hierzu kann beispielsweise eine elastische Feder vorgesehen sein, die das verschwenkbare oder verschiebbare Verschlusselement in Richtung seiner geschlossenen Stellung vorspannt. Die elastische Feder wirkt dabei beispielsweise als Druckfeder zwischen dem Verschlusselement und einer Wandung oder einem anderen feststehenden Abschnitt der Zuleitung, so dass zum Öffnen des Thermostatventils zunächst die Vorspannkraft der elastischen Feder überwunden werden muss und erst nach Überwinden dieser Vorspannkraft das Thermostatventil geöffnet werden kann.
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Die beispielsweise über die elastische Feder bereit gestellte elastische Vorspannkraft ist degressiv über den Öffnungsweg des Verschlusselementes vorgeben. Unter degressiv ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die Federkraft nicht proportional mit dem Öffnungsweg steigt, sondern sich unterproportional mit dem Öffnungsweg verhält. Mit anderen Worten nimmt die Steigung der Federkennlinie mit zunehmendem Öffnungsweg ab. Denkbar in diesem Zusammenhang ist beispielsweise auch, dass die Federkennlinie mit zunehmendem Öffnungsweg eine negative Steigung annimmt, so dass die vorspannende Federkraft mit zunehmendem Öffnungsweg sogar sinkt.
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Durch eine solche degressive elastische Vorspannkraft wird erreicht, dass zum anfänglichen Öffnen des Thermostatventils ein vergleichsweise großer Druck erforderlich ist (entsprechend dem vorgegeben Grenzdruck), das weitere Öffnen des Thermostatventils aber nicht proportional mit der Druckzunahme, sondern unterproportional erfolgt. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass bei Übersteigen des vorbestimmten Grenzdrucks das Verschlusselement sozusagen aufschnappt, d. h., dass das Thermostatventil sich nicht langsam öffnet, sondern bereits bei geringer weiterer Druckzunahme sich in schneller, abrupter Weise in seine vollständig geöffnete Stellung bewegt.
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Der Strömungskörper kann beispielsweise einstückig mit dem Verschlusselement ausgebildet sein. Zum einen ist dabei möglich, dass der Strömungskörper durch das Verschlusselement selbst ausgebildet ist, indem das Verschlusselement so gestaltet und geformt ist, dass aufgrund eines Umströmens eine Kraft auf das Verschlusselement in Richtung der maximal geöffneten Stellung erzeugt wird. Zum anderen kann der Strömungskörper auch als zusätzliches Bauteil zu dem Verschlusselement, aber einstückig verbunden mit dem Verschlusselement, ausgebildet sein, indem der Strömungskörper mit Abstand zu dem Verschlusselement angeordnet und beispielsweise über stegartige Verbindungselemente mit dem Verschlusselement verbunden ist.
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Denkbar ist selbstverständlich auch, den Strömungskörper als zusätzliches Bauteil und nicht einstückig mit dem Verschlusselement auszubilden.
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Das Vorgeben einer solchen degressiven Kennlinie der elastischen Vorspannkraft wird dadurch erreicht, dass zusätzliche Mittel zum Beeinflussen der Federkennlinie bereitgestellt werden. Diese zusätzlichen Mittel sind durch einen an dem Verschlusselement angeordneten Strömungskörper zum Erzeugen einer Kraft auf das Verschlusselement in Richtung seiner geöffneten Stellung ausgebildet. Ein solcher Strömungskörper kann im Querschnitt beispielsweise der Form einer Flugzeugtragfläche ähneln und, unter Ausnutzung des aus der Strömungsmechanik bekannten Gesetzes von Bernoulli, eine Kraft in Richtung Öffnen erzeugen, wenn das Verschlusselement gesteuert durch den Druck des Kühlmittelstroms in seine geöffnete Stellung verschwenkt wird.
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Der Strömungskörper wird in zumindest teilweise geöffnetem Zustand des Thermostatventils in einer Strömungsrichtung, entlang derer ein Kühlmittelstrom durch die Zuleitung strömt, an einer in die Öffnungsrichtung weisenden Seite und an einer entgegen der Öffnungsrichtung weisenden Seite – also an zwei gegenüberliegenden Seiten – umströmt.
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Ist der Strömungskörper durch das Verschlusselement selbst ausgebildet, wird somit das Verschlusselement in der Strömungsrichtung, entlang derer der Kühlmittelstrom durch die Zuleitung strömt, an zwei Seiten umströmt.
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Ist der Strömungskörper hingegen unterschiedlich von dem Verschlusselement (also von dem zum Verschließen der Öffnung dienenden Bauteil) ausgebildet, so kann der Strömungskörper vorteilhafterweise in einer Richtung quer zur Strömungsrichtung von dem Verschlusselement beabstandet sein, so dass der Kühlmittelstrom in geöffnetem Zustand des Thermostatventils durch eine Strömungsöffnung zwischen dem Strömungskörper und dem Verschlusselement hindurchströmt.
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Bei beiden Ausgestaltungen ist der Strömungskörper so ausgestaltet, dass aufgrund des Umströmens an der in die Öffnungsrichtung weisenden Seite eine Kraft in die Öffnungsrichtung erzeugt wird, um bei Umströmen des Strömungskörpers in zumindest teilweise geöffnetem Zustand des Thermostatventils eine Kraft in Richtung der maximal geöffneten Stellung des Verschlusselements zu bewirken und auf diese Weise das Öffnen des Verschlusselements zum Bereitstellen der degressiven Kennlinie der elastischen Vorspannkraft zu unterstützen.
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Hintergrund ist der Gedanke, den Strömungskörper nach Art einer Tragfläche auszugestalten, um durch Umströmen dieses Strömungskörpers an zwei Seiten eine (Quer-)Kraft auf den Strömungskörper und damit das Verschlusselement zu erzeugen und das Öffnen des Verschlusselementes strömungsmechanisch zu unterstützen. Nach Art einer Tragfläche beschreibt die eine Seite des Strömungskörpers hierbei einen langen Strömungsweg, während die andere Seite einen kurzen Strömungsweg vorgibt. Durch Umströmen dieses Strömungskörpers wird, aufgrund der Gesetze der Strömungsmechanik, an der den langen Strömungsweg vorgebenden Seite ein Unterdruck erzeugt, so dass aufgrund der Umströmung eine Querkraft auf den Strömungskörper bewirkt wird. Diese Querkraft hängt von der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittelstroms und dem Volumen des Kühlmittelstroms ab und kann über den Druck des Kühlmittelstroms gesteuert werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung weist der Kühlmittelkreislauf eine elektrisch betriebene, unabhängig vom Verbrennungsmotor steuerbare Kühlmittelpumpe auf. Hintergrund ist hierbei, dass herkömmlich eine Kühlmittelpumpe zur Steuerung mit einem Verbrennungsmotor gekoppelt ist, um direkt in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors gesteuert zu werden. Mit einer elektrisch betriebenen Kühlmittelpumpe ist hingegen möglich, die Steuerung der Kühlmittelpumpe völlig unabhängig vom Verbrennungsmotor vorzunehmen, wobei beispielsweise eine Motorlast und/oder eine Fahrzeuggeschwindigkeit als Steuergrößen der Kühlmittelpumpe einbezogen werden können.
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Über die elektrische Kühlmittelpumpe wird der Druck des Kühlmittelstroms zum Regeln des Thermostatventils eingestellt. Durch die Wahl der Pumpendrehzahl kann damit unabhängig von der Temperatur des Kühlmittels das Thermostatventil gesteuert werden, um das Thermostatventil zum Freigeben eines Kühlmittelkreislaufes zu öffnen oder zum Sperren eines Kreislaufs zu schließen. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, bei hoher Außentemperatur oder bei einer Autobahnfahrt eines Fahrzeugs die Pumpendrehzahl der Kühlmittelpumpe in gewünschter Weise vorzugeben und darüber das Thermostatventil zu steuern, wobei zur Steuerung beliebig viele Parameter oder Kennfelder eines Fahrzeugs und eines Verbrennungsmotors oder andere geeignete Kenngrößen, wie die Außentemperatur, einbezogen werden können.
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Der Kühlmittelkreislauf weist bevorzugt einen ersten Kreislauf und einen zweiten Kreislauf auf, wobei bei geschlossenem Thermostatventil ein Kühlmittelstrom ausschließlich durch den ersten Kreislauf strömt und bei ganz oder teilweise geöffnetem Thermostatventil ein Kühlmittelstrom sowohl durch den ersten Kreislauf als auch durch den zweiten Kreislauf strömt. Der erste Kreislauf kann beispielsweise mit einem Heizungskühler zur Abgabe von Wärme an eine Fahrzeuginnenraumheizung ausgebildet sein und eine vergleichsweise geringe Kühlleistung zur Verfügung stellen. Der zweite Kreislauf kann hingegen einen Kühler zum Kühlen des Kühlmittels aufweisen und eine größere Kühlleistung als der erste Kreislauf bereitstellen. Beim Anlassen eines Fahrzeugs, bei dem in der Regel der Verbrennungsmotor eine niedrige Betriebstemperatur aufweist, kann beispielsweise so nur der erste Kreislauf betrieben werden und hierzu das Thermostatventil geschlossen sein. Bei längerem Betrieb des Fahrzeugs und entsprechend ansteigender Temperatur des Verbrennungsmotors kann dann durch Steuerung der Kühlmittelpumpe das Thermostatventil ganz oder teilweise geöffnet werden, so dass ein Kühlmittelstrom auch durch den zweiten Kreislauf fließt und das Kühlmittel in geeigneter Weise gekühlt und die Temperatur des Verbrennungsmotors geregelt wird.
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Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke soll nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Kühlmittelkreislaufs mit einem ersten Kreislauf umfassend einen Heizungskühler und mit einem zweiten Kreislauf umfassend einen Kühler zum Kühlen des Kühlmittels;
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2 eine schematische, perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines druckgesteuerten Thermostatventils;
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3 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines druckgesteuerten Thermostatventils und
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4 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform eines druckgesteuerten Thermostatventils.
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1 zeigt zunächst in einer schematischen Übersichtsdarstellung ein Schaltbild eines Kühlmittelkreislaufs 1 zum Kühlen und Regeln der Temperatur eines Verbrennungsmotors 10. Der Kühlmittelkreislauf 1 weist einen ersten Kreislauf K1 mit einem Heizungskühler 12 und einen zweiten Kreislauf K2 mit einem Kühler 13 zum Kühlen eines Kühlmittels auf. In Zuleitungen 110, 120, 130 in Form von Rohren oder Schläuchen wird Kühlmittel befördert und durch eine Kühlmittelpumpe 11 in Bewegung versetzt, so dass das Kühlmittel durch die Zuleitungen 110, 120 und, in Abhängigkeit von der Stellung eines Thermostatventils 2, auch durch die Zuleitung 130 strömt. Entsprechend strömen Kühlmittelströme S, S1, S2 durch die Zuleitungen 110, 120, 130.
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Unterschiedliche Ausführungsformen eines druckgesteuerten Thermostatventils 2 sind in 2 bis 4 dargestellt, wobei die unterschiedlichen Ausführungsformen in ihrer grundlegenden Funktionsweise sich darin gleichen, dass ein Verschlusselement 200A–200C in elastischer Weise vorgespannt ist und druckgesteuert zum Öffnen oder Schließen des Thermostatventils 2 verstellt wird. Bei den Ausführungsformen wird jeweils eine degressive Kennlinie dieser elastischen Vorspannkraft zur Verfügung gestellt, indem mit unterschiedlichen Mitteln die Öffnungsbewegung des jeweiligen Verschlusselementes 200A–200C beeinflusst wird.
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Die Ausführungsformen sollen nachfolgend im Einzelnen anhand der Figuren beschrieben werden. Einzelne, sich in ihrer Funktion entsprechende Bauteile der Ausführungsformen sind dabei, soweit zweckdienlich, mit gleichen Bezugszeichen versehen, allerdings jeweils mit nachgestellten Buchstaben („A”, „B”, „C”) zur Kenntlichmachung der einzelnen Ausführungsformen versehen.
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Bei der ersten Ausführungsform eines Thermostatventils 2 gemäß 2 ist an der Zuleitung 130 nach Abzweigung der Zuleitung 120 von der Zuleitung 110 (siehe auch 1) das Thermostatventil 2 angeordnet und weist ein um eine Schwenkachse 202A entlang einer Öffnungsrichtung O schwenkbares Verschlusselement 200A auf. In der in 2 dargestellten geschlossenen Stellung liegt das Verschlusselement 200A an einer Dichtung 205A an und dichtet damit den Durchgang durch die Zuleitung 130 ab, so dass kein Kühlmittelstrom durch die Zuleitung 130 strömen kann.
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Das Verschlusselement 200A ist über eine elastische Feder 204A in Richtung der geschlossenen Stellung vorgespannt. Die Feder 204A ist als Druckfeder ausgebildet und muss zum Verschwenken des Verschlusselementes 200A um die Schwenkachse 202A zum Öffnen des Thermostatventils 2 komprimiert werden. Zum Öffnen des Verschlusselements 200A muss daher eine vorbestimmte Federkraft überwunden werden.
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Die elastische Vorspannung ist derart, dass durch die elastische Feder 204A das Verschlusselement 200A in der geschlossenen Stellung gehalten wird, bis der Druck des Kühlmittelstroms S in der Zuleitung 110 (und damit auch in der Zuleitung 130) einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt. Erst wenn die Druckkraft des Kühlmittelstroms S ausreichend groß ist, um die Federkraft der Feder 204A zu überwinden, wird das Verschlusselement 200A verstellt.
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An dem Verschlusselement 200A ist ein Strömungskörper 201A angeordnet, der im Querschnitt in seiner Formgebung einer Tragfläche eines Flugzeugs ähnelt. Dieser Strömungskörper 201A ist über Stege 203A mit dem Verschlusselement 200A verbunden und dient dazu, beim Öffnen des Verschlusselements 200A eine die Öffnungsbewegung unterstützende Kraft unter Ausnutzung des entlang des Strömungskörpers 201A strömenden Kühlmittelstroms S2 bereitzustellen. Diese unterstützende Kraft nimmt mit steigendem Volumen des Kühlmittelstroms S2 zu, so dass die unterstützende Kraft in ihrem Betrag mit der Öffnung des Verschlusselements 200A steigt.
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Der nach Art einer Tragfläche geformte Strömungskörper 201A weist zwei Seiten 2010A, 2011A auf. Die eine Seite 2011A ist dabei dem Verschlusselement 200A zugewandt und weist in die Öffnungsrichtung O, während die andere Seite 2010A vom Verschlusselement 200A abgewandt ist und entgegen der Öffnungsrichtung O weist. Der Strömungskörper 201A ist von dem Verschlusselement 200A durch die Verbindung über die Stege 203A beabstandet, so dass zwischen dem Strömungskörper 201A und dem Verschlusselement 200A eine Strömungsöffnung 206A gebildet ist und der Strömungskörper 201A an seinen zwei Seiten 2010A, 2011A umströmt werden kann.
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Die in die Öffnungsrichtung O weisende Seite 2011A stellt, aufgrund der Formgebung des Strömungskörpers 201A im Querschnitt nach Art einer Tragfläche, einen längeren Strömungsweg als die Seite 2010A zur Verfügung. Umströmt bei zumindest leicht geöffnetem Verschlusselement 200A ein Kühlmittelstrom S, S2 in eine Strömungsrichtung F den Strömungskörper 201A, so strömt der Kühlmittelstrom S, S2 entlang der Seiten 2011A, 2010A, wobei aufgrund des längeren Strömungsweges entlang der Seite 2011A der Kühlmittelstrom S, S2 mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit entlang der Seite 2011A fließt. Aufgrund dieser erhöhten Strömungsgeschwindigkeit entsteht an der in die Öffnungsrichtung O weisenden Seite 2011A ein Unterdruck, der eine in die Öffnungsrichtung O wirkende, die Offnungsbewegung unterstützende Kraft bewirkt.
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Durch Überlagerung der der Öffnungsbewegung entgegenwirkenden Federkraft der Feder 204A einerseits und der die Öffnungsbewegung unterstützenden Kraft des Strömungskörpers 201A andererseits wird eine degressive Kennlinie der elastischen Vorspannkraft zur Verfügung gestellt, die bewirkt, dass die Öffnungsbewegung des Verschlusselements 200A erst einsetzt, wenn der Druck des Kühlmittelstroms S eine vorbestimmte Druckkraft übersteigt, zum weiteren Öffnen des Verschlusselements 200A dann aber ein vergleichsweise geringer Druckanstieg des Kühlmittelstroms S erforderlich ist. Dies deswegen, weil die weitere Öffnungsbewegung des Verschlusselementes 200A durch die strömungsmechanische Kraft am Strömungskörper 201A, bedingt durch das Umströmen des Strömungskörpers 201A, unterstützt wird.
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Die die Öffnungsbewegung unterstützende Kraft durch Umströmen des Strömungskörpers 201A folgt aus den Gesetzen der Strömungsmechanik, insbesondere dem Gesetz von Bernoulli, demnach bei Umströmen eines Körpers (wie dem Strömungskörper 201A) ein Geschwindigkeitsanstieg des umströmenden Fluids mit einem Druckabfall einhergeht. An der dem Verschlusselement 200A zugewandten Seite 2011A des Strömungskörpers 201A wird demnach ein Unterdruck erzeugt, bedingt durch die Formgebung des Strömungskörpers 201A und der daraus resultierenden, erhöhten Strömungsgeschwindigkeit an dieser Seite 2011A. Durch diesen Unterdruck wird eine Kraft auf das Verschlusselement 200A in Richtung der Öffnungsbewegung erzeugt, die in ihrem Betrag mit zunehmendem Volumen des Kühlmittelstroms S2 steigt.
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Fällt der Druck des Kühlmittelstroms S, S2 ab, so schließt sich das Verschlusselement 200A selbsttätig unter Wirkung der vorspannenden Feder 204A und gelangt wiederum in die geschlossene Stellung gemäß 2, wenn der Druck des Kühlmittelstroms S, S2 den durch die Feder 204A vorgegebenen Grenzdruck unterschreitet.
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Eine zweite Ausführungsform eines Thermostatventils 2 ist in 3 dargestellt. Die Funktionsweise des Thermostatventils 2 ist dabei weitestgehend dem Thermostatventil 2 gemäß 2 identisch, wobei bei der in 3 dargestellten Ausführungsform das Verschlusselement 200B selbst als Strömungskörper ausgebildet ist. Das Verschlusselement 200B ist über eine zwischen einem zuleitungsfesten Befestigungspunkt 207B und einem Befestigungspunkt 208B an dem Verschlusselement 200B aufgespannte Feder 204B elastisch vorgespannt, wobei die Feder 204B als Zugfeder ausgebildet ist und beim Öffnen des Verschlusselements 200B durch Verschwenken um die Schwenkachse 202B gespannt wird.
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In geschlossenem Zustand des Thermostatventils 2 liegt das Verschlusselement 200B an einer Dichtung 205B an und verschließt das Thermostatventil 2, so dass kein Kühlmittelstrom durch das Thermostatventil 2 treten kann.
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Der geöffnete Zustand des Thermostatventils 2 ist in 3 mit gestricheltem Verschlusselement 200B eingezeichnet. In diesem Zustand liegt der zuleitungsfeste Befestigungspunkt 207B der Feder 204B immer noch unterhalb einer Linie 206B durch die das Verschlusselement 200B lagernde Schwenkachse 202B und den Befestigungspunkt 208B, so dass auch in geöffnetem Zustand die Feder 204B eine Kraft auf das Verschlusselement 200B in Richtung seiner geschlossenen Stellung ausübt.
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Die degressive Kennlinie der elastischen Vorspannkraft wird bei der Ausführungsform gemäß 3 unter anderem auch durch die degressive Spannung der Feder 204B bei der Öffnungsbewegung des Verschlusselements 200B bereitgestellt. Zu Beginn der Öffnungsbewegung wird nämlich die Feder 204B um eine vergleichsweise große Länge pro Öffnungsweg gespannt (große Steigung), während mit zunehmendem Verschwenken des Verschlusselements 200B die Längung der Feder 204B pro Öffnungsweg abnimmt. Anfänglich ist somit eine vorbestimmte Druckkraft des Kühlmittelstroms S, S2 zum Bewegen des Verschlusselements 200B erforderlich, während die weitere Öffnungsbewegung des Verschlusselements 200B dann einen unterproportionalen Druckanstieg erfordert.
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Zudem wird in geöffnetem Zustand des Thermostatventils 2 der durch das Verschlusselement 200B selbst ausgebildete Strömungskörper an zwei Seiten 2000B, 2001B umströmt, indem der Kühlmittelstrom S, S2 entlang einer Strömungsrichtung F an den zwei Seiten 2000B, 2001B entlang fließt.
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Eine dritte Ausführungsform eines Thermostatventils 2 zeigt 4. Die Ausführungsform gemäß 4 entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß 3, wobei lediglich das Verschlusselement 200C über einen Verbindungssteg 203C um eine außerhalb der Linie 206C liegende Schwenkachse 202C verschwenkbar angeordnet ist. Die elastische Vorspannung kann analog wie bei der Ausführungsform gemäß 3 bereitgestellt werden oder auch über eine um die Schwenkachse 202C wirkende Schenkelfeder 204C. Wiederum verschließt in geschlossenem Zustand (durchgezogene Linien) das Verschlusselement 200C durch Anlage an eine Dichtung 205C das Thermostatventil 2 dichtend.
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Auch bei dieser Ausgestaltung wird der durch das Verschlusselement 200C selbst ausgebildete Strömungskörper bei zumindest teilweise geöffnetem Verschlusselement 200C an zwei Seiten 2000C, 2001C umströmt, indem in geöffnetem Zustand des Thermostatventils 2 ein Kühlmittelstrom S, S2 entlang einer Strömungsrichtung F um das Verschlusselement 200C herum fließt.
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Das druckgesteuerte Thermostatventil 2 wird durch Vorgabe des Kühlmittelstroms S über die Kühlmittelpumpe 11 (siehe 1) gesteuert. Zum Steuern des Thermostatventils 2 wird die Kühlmittelpumpe 11 geregelt, wobei sich der Öffnungszustand des Thermostatventils 2 in Abhängigkeit von dem durch die Kühlmittelpumpe 11 eingestellten Kühlmitteldruck einstellt.
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Wie in 1 mit gestrichelten Linien angedeutet, kann eine Regelschleife geschaffen werden, indem beispielsweise dem Thermostatventil 2 ein Temperatursensor in der Zuleitung 130 nachgeschaltet ist und durch Rückkopplung in Abhängigkeit von Messwerten dieses Temperatursensors der Kühlmittelstrom S der Kühlmittelpumpe 11 geregelt wird.
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Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke ist nicht auf die vorangehend geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt. insbesondere ist denkbar, Thermostatventile der genannten Art auch außerhalb von Kühlmittelkreisläufen in Fahrzeugen, beispielsweise zum Steuern von anderen Fluidkreisläufen, einzusetzen. Ebenso sind gänzlich andere Ausgestaltungen zur Drucksteuerung des Thermostatventils denkbar und möglich, genauso wie die Kennlinie einer elastischen Vorspannkraft im Grunde beliebig gestaltet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlwasserkreislauf
- 10
- Verbrennungsmotor
- 11
- Kühlmittelpumpe
- 110
- Zuleitung
- 12
- Heizungskühler
- 120
- Zuleitung
- 13
- Kühler
- 130
- Zuleitung
- 2
- Thermostatventil
- 200A
- Verschlusselement
- 201A
- Strömungskörper
- 2010A, 2011A
- Seite
- 202A
- Schwenkachse
- 203A
- Verbindungsstege
- 204A
- Feder
- 205A
- Dichtung
- 206A
- Strömungsöffnung
- 200B
- Verschlusselement
- 2000B, 2001B
- Seite
- 202B
- Schwenkachse
- 204B
- Feder
- 205B
- Dichtung
- 206B
- Linie
- 207B
- Federbefestigungspunkt
- 208B
- Federbefestigungspunkt
- 200C
- Verschlusselement
- 2000C, 2001C
- Seite
- 202C
- Schwenkachse
- 203C
- Verbindungssteg
- 204C
- Feder
- 205C
- Dichtung
- 206C
- Linie
- F
- Strömungsrichtung
- O
- Öffnungsrichtung
- S, S1, S2
- Kühlmittelstrom
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3502817 A1 [0005]
- DE 3817952 A1 [0005]
- DE 10360169 A1 [0007]
- DE 10023519 A1 [0011]
